DE2705457C3 - Gasgesteuertes Wärmerohr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein gasgesteuertes Wärmerohr entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Wärmerohr ist u. a. aus der US-PS 39 71 435 bekannt

Nicht kondensierbare Gase, wie z. B. N₂, H₂, He, Ar können in Wärmerohre aos.chtlirh eingebracht sein oder darin durch unerwünschte chemische Reaktionen entstehen. Derartige Gase sammeln sich beim Betrieb eines solchen Wärmerohres durch die Dampfströmung in der Kühlzone. Sind diese Gase absichtlich in ein Wärmerohr eingebracht, so kann damit die Länge der Kondensationszone variiert und dadurch der Wärmeübergang geändert werden. Derartige sogenannte fasgesteuerte Wärmerohre gewinnen vorzugsweise in der Raumfahrt zunehmend an Bedeutung, weil sie in der Lage sind, die von Wärmequellen (z. B. elektronische Bauteile) abgegebene schwankende Wärme innerhalb enger Ten.peraturgrenzen zu halten.

Weil die Leistungsgrenze von Niedertemperaturwärmerohren (T < 200° C) maßgeblich durch den Strömungswiderstand der Flüssigkeit in der darin angeordneten Kapillarstruktur bestimmt wird, muß eine möglichst feinporige Kapillarstruktur (hohe Kapillarkraft) mit möglichst geringem Strömungswiderstand gewählt werden. Eine solche Kapillarstruktur sind an ihrem Ende in der Heizzone verschlossene Arterien, die z. B. aus einem Drahtnetz hergestellt werden. Dabei wirj die Kapillarkraft durch die Maschenweite des Netzes, der Strömungswiderstand unabhängig davon durch den Arteriendurchmesser bestimmt.

Bei Vorhandensein von nicht kondensierbarem Gas können sich in der Arterie Gasblasen bilden, die diese nicht mehr verlassen können, weil die Gasblase allseitig von einem Flüssigkeitsfilm umschlossen ist, der die Poren der Arterie verschließt. Die Gasblase wandert dann mit der Flüssigkeitsströmung in die Heizzone, wo sie einen weiteren Flüssigkeitstransport der Arterie verhindert und so zum Versagen des Wärmerohres führt, wenn es nicht gelingt die Gasblase mögliihst rasch aus der Arteric zu entfernen. Dieser Effekt ist in etwa vergleichbar mit einer Luftembolie im biologischen Kapillarsystem.

Herkömmliche Arterien, wie sie in gasgesteuerten

Wärmerohren angewandt werden, sind im Dampfraum angeordnet und stehen mit der beheizten Rohrwand nur über schmale Stege für den Flüssigkeitstransport in Verbindung.

Es muß ein zuverlässiges Entweichen von Gasblasen aus Arterien erreicht werden. In einer Veröffentlichung

ίο in AIAA Paper Nr.74-748 (1974), J.E. Eninger: Menisci coalescense as a mechanism for venting noncondensable gas from heat pipes) wird das Einbringen einer Folie vorgeschlagen, die ein leichtes Austreten des Gases aus einer Arterie erlaubt (Benetzung- oder Saugfolie oder »priming foil«). Diese Folie wird am Ende der Arterie in der Heizzone angeordnet und ist so dünn, daß sich in den Poren kein Flüssigkeitsfilm bilden oder erhalten kanu. Diese Methode ist aufwendig, kompliziert störanfällig und kostenaufwendig, weil die dazu verwendeten Folie sehr dünn und mit der Arterie verbunden sein muß. Dabei können sowohl Folie als auch Kapillarstruktur leicht beschädigt werden.

Eine andere Methode ist von Dynatherm Corporation bekannt (M. G r ο 11 and J. P. K i r k ρ a t r i c k) in NASA CR-137 778, Oct 1975 (Jet pump assisted artery) und Proceed. 2nd l.it heat pipe Cont (Bologna 1976), (Heat pipes for Spacecraft temperature control an assesment of The State-of-The-Art). Damit wird mit Hilfe eines noch komplizierteren und aufwendigeren Verfahrens versucht das Gas nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe aus der Arterie abzusaugen.

Aufgabe der Erfindung ist es. ein gasgesteuertes Wärmerohr der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit seiner Hilfe ein einwandfreies und zuverlässiges Entfernen bzw. Austreten von vorhandenen Gasblasen aus Arterien bei gasgesteuerten Hochleistungswärmerohren erzielt wird, bei welchen auf die Verwendung solcher Arteier. nicht verzichtet werden kann.

Diese Autgabe soll durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Mittel gelöst werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmerohres ist dabei, daß auf einfache Art und Weise der den Austritt der Gasblase au· der Arterie an sich verhindernde Flüssigkeitsfilm durch Verdampfen zerstört wird. Das Gas bzw. die Gasblase wird dabei aufgrund der durch den Arteriendurchmesser bestimmten Kapillarkraft der nachdrückenden Flüssigkeit automatisch aus der Arte-

•jO rie durch die Kapillarstruktur gepreßt, nachdem die Flüssigkeit aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Abdeckung verdampft ist. Werden als Kapillarstruktur offene Axialrillen verwendet, so kann nicht kondensierbares Gas diese zwar überall verlassen, aber sie besiizen aufgrund der großen Rillenöffnung nur eine niedrige Kapillarkraft. Die Kapillarkraf! der Rillen wird bei gleichbleibender Strömungsfläche durch das besondere Abdecken mit dem Drahtnetz um ein Vielfaches vergrößert werden. Die Kapillarkraft ist dabei durch die Maschenweite bestimmt. Die Rille muß dazu an ihrem Ende in der Heizzone verschlossen sein. Diese bedeckten Rillen verhalten sich wie geschlossene Arterien, wobei Gäsblasen die bedeckten Rillen zunächst nicht verlassen können. Ist die Abdeckung

jedoch mit den Rillenstegen auf die angegebene Weise gut wärmeleitend, also mit gutem Wärmekontakt verbunden, so wird bei Inbetriebnahme des Wärmerohfes der Flüssigkeitsfilm in den Poren sofort verdampfen.

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Das Gas kann entweichen, und die Rille sich ganz mit Flüssigkeit füllen. Entscheidend für diesen Effekt ist, daß die Rillenbedeckung über die Rillenstege mit der beheizten Wärmerohrwand den guten Wärmekontakt hat Außerdem muß die Abdeckung selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.

Ausführungsbeispiele sind nachstehend beschrieben und durch Skizzen erläutert Es zeigt

F i g. 1 einer Längsschnitt durch ein Wärmerohr mit abgedeckten Rillen,

F i g. 2 und 3 das Entgasen einer Arterie ohne und mit Beheizung,

F i g. 4 einen Querschnitt durch ein Wärmerohr mit abgedeckten Rillen,

F i g. 5 einen Teilquerschnitt eines Wärnierohres mit abgedeckten Rillen und Stegen und den von der Außenwand des Wärmerohres zum Dampfraum gehenden Wärmefluß,

F i g. 6 eine Oberansicht des Wärmerohres nach F i g. 5 und die Zerstörung von Flüssigkeitsmenisken durch eine abdeckende KapiHarstruktur und Wärmeleitung und das Verdampfen des FlüssigkeitJilmes bei Vorhandensein eines Gases,

F i g. 7 und 8 eine in der Heizzone angeordnete Metallfolie eines mit einem Netz abgedeckten Rillenwärmerohres.

In F i g. 1 ist ein Teillängsschnitt durch ein Wärmerohr 1 schematisch dargestellt Längs der dem Dampfraum 2 zugekehrten Seite der Wand 3 des Wärmerohres 1 erstreckt sich eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Rille 4. Die Rille 4 selbst ist zum Dampfraum 2 hin mit einem feinporigen Material, einer KapiHarstruktur 5 und zwar in Form eines Drahtnetzes abgedeckt. Das Wärmerohr 1 ist an seinem Ende mit einem Endstopfen 6 verschlossen, der zusammen mit der Wand

3 des Wärmerohres 1 und einem die Rillen 4 verschließenden Verschlußring 7 durch eine Schweißnaht 8 verbunden ist.

Die F i g. 2 und 3 zeigen vergrößerte Ausschnitte einer mit einer Kapillarstruktur 5 in Form eines Drahtnetzes abgedeckten Rille 4. Die in der Rille 4 enthaltene und in Pfeilrichtung fließende Flüssigkeit (F i g. 3) ist durchsetzt von unter Überdruck stehenden Gasblasen eines nicht kondensierbaren Gases, von denen eine Gasblase 9 gezeigt ist. In F i g. 2 ist das Wärmerohr 1 ohne Beheizung, es befindet sich also im kalten Zustand. Dabei verhält sich die durch die KapiHarstruktur 5 abgedeckte Rille 4 wie eine geschlossene Arterie. Die Gasblase 9 kann zunächst aus der abgedeckten Rille Λ nicht entweichen. Wird aber, wie F ι g. 3 zeigt, das Wärmerohr 1 in Betrieb gesetzt, also beheizt, und hat die KapiHarstruktur 5 eine gute Wärmeleitfähigkeit und besteht außerdem zwischen der KapiHarstruktur 5 und den Stegen 12 (F i g. 4) der Rillen

4 ein guter Wärmekontakt bzw. ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit, so verdampft der Flüssigkeitsfilm 10 (Fig. 2) sofort. Das Gas entweicht durch die Maschen Il der KapiHarstruktur 5 (Fig. 3) in den Dampfraum 2 (siehe Pfeil) und die Rille 4 wird von der Flüssigkeit voll ausgefüllt.

In F i g. 4 ist ein Querschnitt durch das Wärmerohr 1 dargestellt, bei dem die Rillen 4 mit schwalbenschwanzförmigem Querschnitt längs der Wand 3 angeordnet sind. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Rillen 4 mit ihrer Rillentiefe Rt etwa zur Hälfte in das Fleisch der Wand 3 ragen und voneinander gleiche Abstände haben. Dabii· bilden benachbarte Rillen 4 einen Steg 12, dessen Stegbreite 5;, etwa gleich der Rillenbreite R_b ist Stegbreite St, und Rillenbreite R_b sind beliebig wählbar. Der Querschnitt de." Stege 12 ist gleichfalls schwalbenschwanzförmig ausgestaltet, aber dam Rillenquerschnitt entgegengerichtet Die Rillen 4 sind mit einer ihrer Länge bzw. der Länge des Wärmerohres 1 entsprechenden zylindrischen Kapillarstruktur 5 in Form eines Drahtnetzes abgedeckt, wobei die KapiHarstruktur 5 auf den den Dampfraum 2 begrenzenden Kontaktflächen 13 der Stege 12 aufliegt

ίο und mit ihnen gut wärmeleitend verbunden ist

In Fig.5 und 6 ist der Wärmefluß und die damit verbundene Zerstörung des Flüssigkeitsfilms 10 (F i g. 2, 3 und 6) bzw. des von ihm umschlossenen Flüssigkeitsmeniskus bzw. der Gasblase 9 schematisch dargestellt Dabei erfolgt der Wärmefluß 14 (Fig.6), wie die Strömungslinien 15 in F i g. 5 zeigen, von der Wand 3 des Wärmerohres 1 hin zum Dampfraum 2, wobei der Hauptwärmestrom über die Kontaktflächen 13 der Stege 12 geht, auf denen das Drahtnetz aufliegt

so Teilströme des Wärmestromes geh-:; seitlich über die flüssigkeitsgefüüten Rillen 4 und über and entlang sowie durch die aus den Drahtnetz bestehende Abdeckung. Der Wärmefluß in einem Rillenwärmerohr 1 gemäß F i £ 1 bis 6 ist durch die in den Rillen 4 enti.altene schiecht wärmeleitende Flüssigkeit vernachlässigbar klein. Wie F i g. 6 zeigt, erfolgt der maximale Wärmefluß 14 über die Stege 12 und deren Kontaktflächen 13 zum die Rillen abdeckenden Netz und innerhalb dieses metallisch gut wärmeleitenden Drahtnetzes. Dabei wird der zwischen den einzelnen Maschen des Drahtnetzes lagernde Flüssigkeitsfilm 10 durch die Wärmeeinwirkung zerstört (10') und verdampft Hine unterhalb dem die Rillen 4 abdeckenden Drahtnetz befindliche Gasblase 9 kann dadurch in den darüber liegenden Dampfraum 2(Fig. 1,3,4, 5) entweichen. Dabei werden diese Flüssigkeitsmenisken oder Gasblasen 9 um so schneller zerstört, je besser die Wärmeleitung ist Das Gas wird durch die auf Grund der Kapil'arkraft (bestimmt durch die Rillenbreite und Rillentiefe Rb, R_t) nachdrückende Flüssigkeit aus der Rille 4 gepreßt, bis di· se gefüllt und die Maschen des Drahtnetzes mit Flüssigkeit geschlossen sind. Danach ist die Kapillarkraft der Rillen 4 wieder durch die Größe der Maschen 11 (Fig. 3) der KapiHarstruktur 5 besummt Die Rillenstege 12 und Rillen 4 müssen dal/ei so dimensioniert sein, daß ein ausreichender Wärmefluß 14 durch die Stege 12 und eine genügend große Strömungsfläche für die Flüssigkeit vorhanden is'.. In der Praxis hat sich ein optimales Verhältnis 1 : 1 von Rillenbreite Rb zur

5(1 Stegbreite 5i,bewährt.

Bei dem in F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird, wie aus F i g. 7 zunächst und teilweise ersichtlich ist, ein rohrförmig gewickeltes und auf einem Runddorn (in der Figur nicht dargestellt) geschobenes

v, Drahtnetz 16 in ein Rillen-Wärmerohr eingebracht und auf die Rillenstege 12 (Fig.8) aufgehämmert (Rund hämmermaschine). Dabei können gleichzeitig die eingepaßten Endstopfen 6 (Fig. 1) zum Verschließer der Rillen 4 trw. des Wärmerohres 1 (Fig. I, 4)

M> mitgehämmert werden. Durch das Hämmern entsteht ein sehr guter Wärmekontakt zwischen den Stegen 12 und dem Drahtnetz 16 (Fig.8). Sehr feinmaschiges Netz, das eine hohe Kapillarkraft liefern würde, kann dabei Löcher und Risse bekommen; außerdem ist es auf Grund der geringe,! Drahtdurchmesser schlecht wärmeleitend. Es haben sich deshalb in der Praxis Drahtnetze von ca. 160 mesh als geeignet erwiesen. Solche Drahtnetze besitzen eine ausreichende Festigkeit, gute

Wärmeleitfähigkeit und Kapillarkraft Soll das Wärmerohr biegbar sein, muß darauf geachtet werden, daß die Maschen des Drahtnetzes 16 zu den Rillen 4 einen Winkel« von 45° bilden und das Drahtnetz 16 so in das Wärmerohr i (Fig.6) eingebracht wird. Ein guter Wärmeköntakt zwischen dem Drahtnetz 16 und den Stegen 12 ist auch durch Löten oder Anpressen mit einer Schraubenfeder erzielbar. Eine noch bessere Entgasung der in den Rillen 4 enthaltenen Flüssigkeit IBBt sich dadurch erzielen, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Drahtnetzes 16 durch eine zusätzliche Struktur verbessert wird. Dabei wird ein aus gleichem Drahtnetzmaterial bestehender dicker Draht 17 entweder von außen oder von innen auf das Drahtnetz 16 aufgebracht. Von außen (Dampfraum) drückt dieser zusätzliche Draht selbständig auf Grund der Eigenspannung gegen das Drahtnetz 16, wenn er schraubenförmig gewickelt ist. DnHlirr*h vprhpccprt c!nh alt^inh^aitirw Alt» λλ/Hrm». . . _o._v.«.~_v..._e «._ .....

Wärmekontakt zwischen Draht 17, Drahtnetz 16 und den Stegen 12 wird beim Hämmern hergestellt. Eine Möglichkeit, das Drahtnetz 16 in der Heizzone durch Metallfolien 17' zu unterbrechen zeigt Fig.8, Diese Metallfolien 17' können ebenfalls durch Hämmern, Löten, Punktschweißen oder auf ähnliche Weise eingebracht werden. Zusätzlich zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit unterbrechen diese Metallfolien 17' den Flüssigkeitstransport im Drahtnetz 16, was ein schnelleres Austrocknen begünstigt. In diesen Metallfolien 17' können auch feine Bohrungen 18 angeordnet sein und als Kapillarstruktur 5 zum Abdecken der Rillen 4 auf die Stege 12 verwendet werden. Voraussetzung dazu ist, daß zwischen den Stegen 12 und dieser Kapillarstruktur 5 ein guter Wärmekontakt erreicht wird, was wiederum durch Hämmern, Löten, Punktschweißen oder durch die Eigenspannung der Kapillarctmilfinr S prrpirhl u/irH. Dip Knnillnrtraft u/irrl hiprhpi

leitung im Drahtnetz 16 selbst und der Wärmeübergang vom Steg 12 zum Drahtnetz 16. Soll der Draht von innen auf das Drahtnetz 16 aufgebracht werden, so muß zunächst ein Gewinde in die Rillen 4 gedreht werden, in das der Draht schraubenförmig gelegt wird. Ein inniger durch die Größe der Bohrungen 18 bestimmt. Wird unter die Metallfolie 17' das Drahtnetz 16 aufgebracht, so dient die perforierte Metallfolie 17' nur zur Verbesserung der Wärmeleitung. Die Kapillarkraft wird durch die Porengröße des Drahtnetzes 16 bestimmt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

27 Patentansprüche:

1. Gasgesteuertes Wärmerohr mit an den Innenflächen angeordneten durch Stege voneinander getrennten Rillen als Kapillarstruktur, die wenigstens von einer folgenden Kapillarstruktur in Form eines Drahtnetzes abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtnetz (16) von einer Maschengröße von etwa 160 mesh ist und auf die Kontaktflächen (13) der Stege (12) mit satter Auflage durch Aufhämmern, Auflöten oder Federkraft aufgebracht ist, derart, daß die Maschen (11) zu den Rillen (4) und Stegen (12) einen Winkel von 45° bilden.

2. Gasgesteuertes Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen der Federkraft, mit der das Drahtnetz (16) auf die Kontaktflächen (13) der Stege (12) aufgebracht ist, ein zusätzlicher Draht (17) mit Eigenspannung gegen das Drahtöttz (16) schraubenförmig gewickelt ist

3. Gasgesteuertes Wärmerohr nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Drahtnetz (16) eine ggf. perforierte Metallfolie (17) aufgebracht ist